压电式传感器解析教学ppt课件.ppt

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1、2020/10/16,1,压电式传感器：利用压电材料的压电效应实现能量的转换。 当压电材料受到外力作用时，其表面将产生电荷，将机械能转变成电能。 利用压电材料可以制成力敏元件，用来测量力和能转变成力的各种物理量。,由于压电效应是可逆的，在压电材料的一定方向施加电场，它就会产生变形，因此压电传感器是双向传感器。,2020/10/16,2,2020/10/16,3,各种小巧的压力传感器,压电传感器的外形,压力变送器部件,压力变送器,2020/10/16,4,5.2.1 压电式传感器的工作原理,正压电效应：有些材料，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上产生符号

2、相反的电荷；当外力去除后，又重新恢复为不带电的状态。当作用力的方向改变时，电荷的极性随之改变。逆压电效应：在这些材料的极化方向施加电场，它们就会产生变形，这种现象称为“逆压电效应”，或称为“电致伸缩效应”。 压电材料：具有压电效应的材料称为压电材料。,2020/10/16,5,压电转换元件受力变形的几种基本形式,2020/10/16,6,石英晶体受力方向与电荷极性的关系,2020/10/16,7,2020/10/16,8,压电常数 压电材料的性能常用压电常数来表征。 以晶体为例， 设有一用晶体制成的压电元件受到力F作用，在其相应表面上产生表面电荷Q，力F与电荷Q之间存在如下关系 ：,d 压电常

3、数,2020/10/16,9,5.2.1 压电材料,选择压电材料的要求： 转换性能：具有较高的耦合系数或具有较大的压电常数； 机械性能：压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高，机械刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率； 电性能：希望具有高的电阻率和大的介电常数，以期减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性； 温度和湿度稳定性要好，具有较高的居里点，以期得到较宽的工作温度范围； 时间稳定性 : 压电特性不随时间蜕变。,压电晶体分类：,单晶体：石英晶体等多晶体：压电陶瓷等,2020/10/16,10,石英晶体,石英晶体有天然的石英和人工石英单晶体两种。,结构：石英晶体属六方晶体，有右

4、旋石英晶体和左旋石英晶体之分，其理想外形共包括三十个晶面，分成五组。以 m、R、r、s和x表示。六个m面也称柱面，六个R面也称大棱面，六个面r也称为小棱面，还有六个s面和六个x面。,2020/10/16,11,压电晶体的三种压电效应a) 纵向压电效应,2020/10/16,12,压电晶体的三种压电效应,b) 横向压电效应,2020/10/16,13,压电晶体的三种压电效应,c) 切向压电效应,2020/10/16,14,石英是具有良好压电效应的一种压电晶体。在20200范围内压电常数的温度变化率约是-0.016%/，在温度较低时，压电常数的变化很小。 居里点：573 石英晶体的相对介电常数较小

5、，温度稳定性很好。机械强度很高，性能稳定，没有热释电效应（由于温度变化导致电荷释放），绝缘性能相当好。,2020/10/16,15,压电陶瓷,压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它由无数细微的单晶组成。1）极化前,它具有类似铁畴材料磁畴结构的“电畴”结构。 特点：“电畴”是分子自发的极化区域，各单晶的自发极化方向完全是任意排列的，虽然每个单晶具有强压电性质，但是组成多晶后，各单晶的压电效应却互相抵消了。 原始的压电陶瓷是一个非压电体，它不具有压电性质。,2020/10/16,16,2）极化后极化处理：在一定 温度下，对压电陶瓷施加强电场，使极性转动到接近电场的方向。,压电陶瓷,2020/10/1

6、6,17,这个方向就是压电陶瓷的极化方向，在极化方向下，各向同性受到破坏，但在垂直的平面上，仍保持各向同性。当电场丢掉后，压电陶瓷仍存在着很强的剩余极化，类似于铁磁物质在磁场中被磁化的现象，它们被极化的过程和铁磁材料被磁化的过程极其相似。 当这种经极化后的铁电体在受到外力作用时，其剩余极化强度将随之变化，所以也表现出压电特性。显然这种材料的压电特性在极化方向上是最显著的。极化方向定义为z轴。 压电陶瓷稳定性较石英晶体差。,2020/10/16,18,2020/10/16,19,压电陶瓷的种类 : 钛酸钡压电陶瓷 锆钛酸铅系压电陶瓷，即PZT系压电陶瓷 铌镁酸铅压电陶瓷（PMN) 铌酸盐系压电陶

7、瓷,需要指出: 通常压电陶瓷如钛酸钡和锆钛酸铅都有明显的热释电效应。,2020/10/16,20,（3）厚度剪切变形 利用剪切压电效应的压电元件除采用片状结构形式外，还可采用管状压电陶瓷，这种结构的极化方向有平行于轴线的和径向的两种。,2020/10/16,21, 5.2.2 压电传感器的等效电路,由压电元件的工作原理可知,压电式传感器可以看作一个电荷发生器。同时,它也是一个电容器,晶体上聚集正负电荷的两表面相当于电容的两个极板,极板间物质等效于一种介质,则其电容量为 式中: A压电片的面积; d压电片的厚度; r压电材料的相对介电常数。,2020/10/16,22,电荷等效电路,电压等效电路

8、,2020/10/16,23,5.2.2测量电路,1.引言,压电传感器的输出信号非常微弱，要将其进行放大才能测量出来。 压电传感器的内阻抗相当高，不是普通放大器能放大的。而且，除阻抗匹配的问题外，连接电缆的长度、噪声都是突出的问题。,2020/10/16,24,前置放大器作用将传感器的输出高阻抗变换成低阻抗输出;起放大传感器微弱信号的作用。,传感器的输出可以是电压信号(把传感器看作电压发生器)；也可以是电荷信号(把传感器看作电荷发生器),传感器的输出信号应先由低噪声电缆输入高输入阻抗的前置放大器。,2020/10/16,25,前置放大器有两种：电压放大器: 输出电压与输入电压（传感器的输出电压

9、）成比例，这种电压前置放大器一般称为阻抗变换器；电荷放大器: 输出电压与输入电荷成比例。,主要区别： 使用电压放大器时，整个测量系统对电缆电容的变化非常敏感，尤其电缆长度变化更为明显; 使用电荷放大器时，电缆长度变化的影响可忽略不计。,2020/10/16,26,压电传感器的实际等效电路压电传感器在实际使用时总要与测量仪器或测量电路相连接, 因此还须考虑连接电缆的等效电容CC, 放大器的输入电RI, 输入电容CI以及压电传感器的泄漏电阻RA,2020/10/16,27,一、电压放大器,Ra: 压电元件漏电阻 Ce 连接电缆电容Ri、 Ci 放大器输入阻抗、电容,2020/10/16,28,20

10、20/10/16,29,2020/10/16,30,2020/10/16,31,2020/10/16,32,理想情况下（输入电阻无穷大）放大器输入电压幅值为：,2020/10/16,33,2020/10/16,34,2020/10/16,35,讨论：,=0（静态量）时，Usrm/Uam=0（输入电压为零）原因：由于等效电阻不可能无穷大，存在电荷泄漏，所以不能测量静态量3（高频情况），Usrm/Uam1，实际接近理想输入电压与作用力频率无关一定，越高，高频响应越好对低频测量情况：一定，偏差越大所以要求要大，扩大 低频响应范围输出电压灵敏度受电缆分布电容影响,2020/10/16,36,改善低频特

11、性的措施：,2020/10/16,37,可根据给定精度合理选择电压放大器Ri,2020/10/16,38,可行的办法:提高测量回路的电阻。 传感器本身的绝缘电阻一般很大，测量回路的电阻主要取决于前置放大器的输入电阻。 放大器的输入电阻越大，测量回路的时间常数就越大，传感器的低频响应也就越好。,提高前置放大器输入电阻采取的方法：采用场效应管。,压电式传感器在与阻抗变换器配合使用时，连接电缆不能太长。电缆长，电缆电容Cc就大，电缆电容增大必然使传感器的电压灵敏度降低。,解决电缆问题的方法:将超小型放大器装入传感器之中，组成一体化传感器。,2020/10/16,39,二、电荷放大器,具有深度电容负反

12、馈的高增益运算放大器,2020/10/16,40,2020/10/16,41,2020/10/16,42,所以：,输出与电缆电容无关电缆可长达1km电缆可更换Rf提供直流负反馈减小零漂、提高稳定度可测准静态量：=RfCf相当大，可测低频f=0.5Hz,2020/10/16,43,使用电荷放大器的几点说明1）传感器的输出电缆的接线注意事项； 切记不要将前置放大器的场效应管烧坏。2）环境因素的影响 温度、湿度都会影响传感器的输出阻抗及放大器的输入阻抗。,2020/10/16,44,：,5.2.3 引起压电式传感器测量误差的因素,1 环境温度的影响,周围环境温度的变化对压电材料的压电常数和介电常数的

13、影响最大，它将造成传感器灵敏度发生变化。,1）石英晶体,石英晶体对温度并不敏感，在常温范围甚至温度高至200，石英的压电常数和介电常数几乎不变，在200400范围内变化也不大。,2）压电陶瓷,人工极化的压电陶瓷受温度的影响比石英要大得多，压电常数和介电常数随温度变化的趋势大体上如图所示。,2020/10/16,45,为了提高压电陶瓷的温度稳定性和长时间温度稳定性，一般应进行人工老化处理。,人工老化处理: 将压电陶瓷置于温度箱内反复加温和降温，连续做一个星期，加温和降温的周期为二小时。,2020/10/16,46,压电陶瓷经人工老化后处理后，虽然在正常使用稳定环境中性能比较稳定，但在高温环境中使

14、用时，压电常数和介电常数仍会发生变化。,普通的压电式传感器的工作温度总是有限的，这主要是受压电材料、电子线路元件和电缆耐温限制。,压电材料的体电阻率是随着温度的增加按指数规律减小的。,传感器的连接电缆也是一个至关重要的部件。普通电缆是不能耐700以上高温的。,电缆两端必须气密焊封，以防止潮气侵入到无机绝缘材料中使绝缘电阻减低。,2020/10/16,47,2 环境湿度的影响,环境湿度对压电式传感器性能影响很大。如传感器长期在高湿环境下工作，传感器的绝缘电阻（泄漏电阻）将会减小，以致使传感器的低频响应变坏。,要选用绝缘性能良好的绝缘材料，如聚氯乙烯、聚苯乙烯、陶瓷等。,零件表面的光洁度要高。,对

15、一些长期在潮湿环境或水下工作的传感器，应采取防潮密封措施，在容易漏气或进水的输出引线接头处用特殊材料加以密封。,2020/10/16,48,3 电缆噪声 压电式传感器的信号电缆一般采用小型同轴导线，这种电缆很柔软，具有良好的挠性。,电缆噪声完全是由电缆自身产生的。普通的同轴电缆是由聚乙烯或聚四氟乙烯作绝缘保护层的多股绞线组成。,为了减少这种噪声，除选用特制的低噪声电缆。,在测量过程中应将电缆固紧，以免产生相对运动。,2020/10/16,49,5.2.4 压电式传感器的应用,压电式测力传感器,2020/10/16,50,压电式加速度传感器,一、工作原理结构组成,壳体,弹簧,质量块,压电片,20

16、20/10/16,51,工作原理,压电式加速度传感器属于惯性式传感器。测量时传感器基座与试件刚性连接在一起。它是利用某些物质如石英晶体的压电效应，当传感器受振时，质量块受到与加速度方向相反的力的作用，并作用在压电元件上。当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。传感器输出电荷也与加速度成正比。,2020/10/16,52,二、频响特性受力分析,质量块的绝对位移x2，激励为x1 ，质量块相对位移xt,2020/10/16,53,频响特性,2020/10/16,54,2020/10/16,55,幅频响应曲线,2020/10/16,56,讨论：,当0时，传感器的灵敏度近

17、似为一常数由于压电式传感器的x( t )很小，m也很小，而 k 很大，所以压电式加速度传感器的0很大（频带较宽）（一般可达几十千赫），所以频响范围宽、高频响应好。测量上限不能取固有频率，实际工作频段取为（1/5） 0左右低频响应取决于测量回路，测量回路的时间常数越大，低频响应越好,2020/10/16,57,2020/10/16,58,由于压电式传感器的输出电信号是微弱的电荷，而且传感器本身有很大内阻，故输出能量甚微，这给后接电路带来一定困难。 为此，通常把传感器信号先输到高输入阻抗的前置放大器。经过阻抗变换以后，方可用于一般的放大、检测电路将信号输给指示 仪表或记录器。目前，制造厂家已有把压

18、电式加速度传感器与前置放大器集成在一起的产品，不仅方便了使用，而且也大大降低了成本。,2020/10/16,59,2020/10/16,60,振动分析,2020/10/16,61,加速度计，力传感器,2020/10/16,62,飞机轮子振动分析,2020/10/16,63,力传感器1、单向力传感器,2020/10/16,64,2、双向力传感器,2020/10/16,65,3、三向力传感器,2020/10/16,66,2020/10/16,67,2020/10/16,68,受力分析,2020/10/16,69,2020/10/16,70,2020/10/16,71,2020/10/16,72,2

19、020/10/16,73,2020/10/16,74,2020/10/16,75,压电式加速度传感器,2020/10/16,76,压电式金属加工切削力测量,2020/10/16,77,压电式玻璃破碎报警器,2020/10/16,78,作 业,6-1 什么叫正压电效应？什么叫逆压电效应？6-2 画出压电元件的两种等效电路。6-3 电荷放大器要解决的核心问题是什么？试推导其输入输出关系。6-4 何谓电压灵敏度和电荷灵敏度？两者间有什么关系？6-5 简述压电式加速度传感器的工作原理。6-6 有两只压电式加速度传感器，固有频率分别为200kHz和35kHz，阻尼比均为0.3，今欲测频率为10Hz的振动

20、应选用哪一只？为什么？,2020/10/16,79,6-7 为了扩大压电式传感器的低频响应范围，是否可以采用增加测量回路电容C的办法？为什么？6-8 压电式传感器的上限频率和下限频率各取决于什么因素？6-9 分析压电式加速度传感器的频率响应特性。若测量电路的C =1000pF，R =500M，传感器固有频率0=30kHz，相对阻尼比系数=0.5，求幅值误差在2%以内的使用频率范围。6-10 用石英晶体加速度计及电荷放大器测量机器的振动，已知加速度计灵敏度为5pC/g,电荷放大器灵敏度为50mV/pC,当机器达到最大加速度值时相应的输出电压幅值为2V，试求该机器的振动加速度,2020/10/16

21、,80,6-11 石英晶体压电式传感器，面积为1cm2，厚度为1mm，固定在两金属板之间，用来测量通过晶体两面力的变化。材料的弹性模量是91010Pa，电荷灵敏度为2pC/N，相对介电常数是5.1，材料相对两面间电阻是1014。一个20pF的电容和一个100M的电阻与极板相连。若所加力F=0.01sin（103t）N, 求： 两极板间电压峰峰值； 晶体厚度的最大变化值。6-12 已知电压前置放大器输入电阻及总电容分别为Ri=100M，Ci=100pF，求与压电式加速度计相配测1Hz振动时幅值误差是多少？,THANKSFOR WATCHING,谢谢大家！本文档为精心编制而成，您可以在下载后自由修改和打印，希望下载对您有帮助！,演讲人: XXX,PPT文档教学课件,